Film 3D Kanojo: Real Girl dibintangi oleh Ayami Nakajo sebagai Iroha Ikarashi, Hayato Sano sebagai Hikaru Tsutsui, Yuri Tsunematsu sebagai Arisa Ishino, Hiroya Shimizusebagai Mitsuya Takanashi, Moka Kamishiraishi, Takahiro Miura, Yutaro, Sayaka Kanda, Riki Takeuchi, Mari Hamada, Towa Araki.
Adapun sinopsis 3D Kanojo: Real Girl yaitu mengisahkan mengenai seorang siswa pria yang bernama Hikaru Tsutsui (Hayato Sano) yang menempuh sekolah menengah. Hikaru Tsutsui yang menikmati permainan animasi dan video di dunia maya. Namun Hikaru Tsutsui tidak menikmati kehidupan aslinya. Orang-orang di sekolah bahkan tidak tahu Hikaru Tsutsui ada.
Suatu ketika, saat Hikaru Tsutsui sedang membersihkan kolam renang di sekolahnya dengan seorang wanita yang bernama Iroha Ikarashi (Ayami Nakajo) yang terlihat cantik. Iroha Ikarasahi lalu mendekati Hikatu Tsutsui dan dia mengaku kepada Hikaru Tsutsui bahwa dirinya menyukainya.
